High Level Shading Language

High Level Shading Language (HLSL) について

High Level Shading Language（HLSL）は、マイクロソフトがDirect3D（DirectX）で使用するために開発したプロプライエタリなシェーディング言語です。Direct3Dは、3DグラフィックスをレンダリングするためのAPIであり、HLSLはそのプログラム可能なシェーダー部分を記述するために使用されます。HLSLは、C/C++に似た文法を持ちながら、ベクトルや行列などのグラフィックス処理に特化したデータ型や関数を備えている点が特徴です。

HLSLは、初期の固定機能パイプラインの制約を解消し、グラフィックス開発者が描画アルゴリズムを柔軟にカスタマイズできるようにするために導入されました。これにより、複雑なエフェクトや高度なレンダリング手法の実装が可能になり、ゲームやその他のグラフィックスアプリケーションの表現力が大幅に向上しました。

開発経緯

Direct3D 7までは、GPUに実装された固定パイプラインを使用して3Dグラフィックスシーンを構築していました。しかし、より柔軟なグラフィックス表現の要求が高まるにつれて、Direct3D 8でプログラマブルシェーダーが導入されました。当初、シェーダーはアセンブリ言語で記述する必要がありましたが、開発効率やコードの再利用性に課題がありました。この問題を解決するために、C/C++風の構文を持つ高水準言語HLSLが開発されました。HLSLはDirect3D 9で初めて導入され、その後もDirect3Dとともに機能拡張が続けられています。

プログラマブルパイプラインステージ

HLSLによってプログラム可能なグラフィックスパイプラインステージは、Direct3Dのバージョンとシェーダーモデルによって異なります。Direct3D 9では、頂点シェーダーとピクセルシェーダーの2つがプログラム可能でした。Direct3D 10では、ジオメトリシェーダーが追加され、Direct3D 11/12では、ハルシェーダー、ドメインシェーダー、コンピュートシェーダーが加わりました。

これらのシェーダーは、それぞれ異なる役割を担っています。

頂点シェーダー：頂点の座標変換やテクスチャ座標の生成などを行います。
ジオメトリシェーダー：プリミティブの増減や種類の変更を行います。
ピクセルシェーダー：ピクセル単位の色計算を行います。
ハルシェーダーとドメインシェーダー：テッセレーションによる詳細なモデル生成を制御します。
コンピュートシェーダー：グラフィックスパイプラインとは独立して、汎用的な計算処理を実行できます。

言語機能

HLSLはC/C++に似た文法を持っていますが、グラフィックスプログラミングに特化したベクトルや行列型、数学関数などが用意されています。Direct3D 10以降では、オブジェクト指向に基づいた設計がなされ、クラス定義やメンバー関数などが使用できるようになりました。ただし、継承や仮想関数などの高度な機能はサポートされていません。

Direct3D 11では、シェーダーの組み合わせ爆発を解消するために、動的シェーダーリンク（Dynamic Shader Linkage）という機能が導入されました。これにより、インターフェイスと実装を使ってポリモーフィズムを擬似的に実現できます。

コード例

以下に、HLSLを用いた簡単な頂点シェーダーとピクセルシェーダーの例を示します。

hlsl
// 頂点シェーダー
float4 VSMain(float4 pos : POSITION) : SV_POSITION
{
return pos;
}

// ピクセルシェーダー
float4 PSMain(float4 pos : SV_POSITION) : SV_TARGET
{
return float4(1, 0, 0, 1); // 赤色
}


この例では、頂点シェーダーは入力された頂点座標をそのまま出力し、ピクセルシェーダーは赤色を返します。このように、HLSLを使用することで、ピクセル単位での詳細な処理が可能になり、高度なライティングやエフェクトが実現できます。

対応環境

HLSLプログラムは、Direct3D APIを介してホストアプリケーションから入力と出力を管理する必要があるため、単独では動作しません。HLSLのコンパイラは、DirectX SDKまたはWindows SDKに付属しています。コンパイラによって生成されるのは、ハードウェアベンダーに依存しない共通バイトコードであり、一度コンパイルしておけば、異なるハードウェアでも動作させることができます。

HLSLは、Direct3D 9以降をサポートするシステムでのみ使用可能です。初期はWindows OSおよびXboxが主な動作環境でしたが、近年ではクロスプラットフォームでの活用が進んでいます。例えば、Vulkan向けのシェーダープログラムを生成するコンパイラがHLSLをサポートするようになったり、ゲームエンジンのUnityがHLSLをシェーダー記述に使用したりしています。

エフェクト

HLSLはシェーダー関数を記述するために使用されますが、複数のシェーダーステージをまとめる「エフェクト」という仕組みも存在します。エフェクトを使用することで、シェーダーステージの組み合わせやレンダリングステートの設定などを一元的に管理できます。

シェーダーモデル

Direct3Dプログラマブルシェーダーを実行するには、Direct3D 8以降に対応したハードウェアが必要です。シェーダーモデルは、ハードウェアがサポートするシェーダープログラムの仕様を定義します。新しいシェーダーモデルは、より高度な機能や長いプログラムを記述できるようになっています。

シェーダーモデルの主なバージョンは以下の通りです。

Shader Model 1.x：DirectX 8世代。
Shader Model 2.0：DirectX 9世代。
Shader Model 3.0：DirectX 9.0c世代。
Shader Model 4.x：DirectX 10.x世代。
Shader Model 5.0：DirectX 11.x世代。
* Shader Model 6.0：DirectX 12世代。

各シェーダーモデルは、サポートする機能や実行可能な命令数などに違いがあります。新しいモデルほど、より柔軟で高度なプログラムを記述できます。

まとめ

HLSLは、Direct3Dで使用される強力なシェーディング言語であり、高度なグラフィックス処理を実現するための重要なツールです。その柔軟性と機能性は、現代のグラフィックスアプリケーション開発において不可欠な要素となっています。

もう一度検索